Введение к работе
Актуальность работы. В промышленности существует множество поточных производств, где остро стоит вопрос автоматизированного контроля дефектов поверхностей изделий. В частности, такой задачей является контроль качества окрашенной пластиковой бутылки по дефектам ее поверхности, которые выражены в изменении оптической плотности материала изделия. Пропуск дефектов приводит к остановкам конвейерной линии, простою и, как следствие, износу механизмов привода конвейера. Поэтому контроль дефектов поверхностей является актуальной задачей.
Большую долю в решении задач контроля качества изделий на конвейерных линиях составляют оптические методы. На достоверность контроля дефектов поверхности окрашенной пластиковой бутылки существенное влияние оказывают три фактора: объемная структура изделия, высокая оптическая плотность материала и высокая скорость движения изделия на конвейере.
Наличие первого фактора требует обязательного применения проходящего через изделие светового потока. На сегодняшний день существуют зарубежные аналоги средств контроля качества поверхностей, выполненных на оптопаре, в которых используется прямой и обратный ход параллельных пучков света. Оптический сигнал в этом случае несет интегральную информацию о качестве поверхности. Однородіше и неоднородные с дефектами поверхности могут давать одинаковые оптические сигналы, что ведет к снижению достоверности контроля. В рассматриваемом аспекте контроля целесообразнее применять однократное прохождение светового пучка через изделие и фиксировать его изображение многоэлементным фотоприемником.
Однако наличие второго фактора - высокой оптической плотности у изделия, приводит к значительной разности между яркостью фона и яркостью поверхности изделия. Динамический диапазон оптического сигнала на изображении поверхности изделия уменьшается, уменьшается соотношение сигнал/шум, и, как следствие, уменьшается достоверность контроля. Повышение соотношения сигнал/шум возможно с применением метода накопления кадров, но в этой ситуации начинает отрицательно влиять третий фактор. За счет движения изделия происходит смаз изображения.
Оптимальными при обнаружении сигналов на уровне шумов, считаются приемники взаимно-корреляционного типа, а также приборы на основе корреляционных методов работы. Их развитию посвящено много работ (Якушенков Ю.Г., Цапенко М.П., Грибонова Н.И., Ланге Ф и др.),
при этом корреляция сигналов производится либо во времени, либо по пространству. Однако оба варианта имеют свои недостатки. В частности при переменной скорости движения контролируемых изделий невозможно выполнить корреляцию сигналов во времени, без предварительного масштабирования. При корреляции в пространстве возникают проблемы зашумления слабого сигнала при получении единственного кадра видеокамеры.
Альтернативным вариантом корреляционного метода видится
использование корреляции гистограмм яркости, полученных в ходе
сканирования изделий, во время их движения на конвейере. При этом
сканирование осуществляется несколькими линейными
многоэлементными фотоприемниками. Множество фоточувствительных элементов (ФЧЭ) одного линейного фотоприемника можно объединить в одно рецептивное поле (РП). Все ФЧЭ рецептивного поля будут производить одновременное измерение оптического сигнала с изображения фрагмента поверхности изделия. Эта операция равносильна пространственной фильтрации, за счет чего достигается уменьшение пространственного шума. Для построения гистограммы, уровни квантования по яркости разбиты на несколько интервалов. Группа уровней яркости, которые входят в один интервал также как и ФЧЭ, которые входят в линейный фотоприемник, могут быть объединены в рецептивное поле интервала яркости, за счет чего будет достигнуто уменьшение яркостного шума.
Цель работы. Разработка корреляциогаюго метода и оптико-электрошюго средства контроля дефектов окрашенной пластиковой бутылки с использованием рецептивных полей.
Задачи исследований:
1. Выполнить аналитический обзор методов и средств оптического
контроля дефектов пластиковой бутылки, рассмотреть качество
пластиковой бутылки, типичные дефекты. Предложить классификацию
средств оптического контроля качества изделий.
2. Разработать метод построения гистограммы яркости с
использованием рецептивных полей.
-
Разработать метод контроля дефектов изделий по коэффициенту корреляции их гистограмм.
-
Разработать принцип построения оптико-электронной системы прибора контроля дефектов пластиковой бутылки, макет прибора контроля. Провести экспериментальные исследования макета прибора контроля.
Объект исследования. Процесс контроля дефектов изделия с использованием рецептивных полей.
Предмет исследования. Корреляционный метод и средство контроля дефектов поверхностей изделий с использованием рецептивных полей.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы геометрической оптики, цифровой обработки сигналов, математического моделирования, математической статистики, а также обработки экспериментальных данных.
Достоверность полученных результатов подтверждается математическим моделированием режимов работы прибора контроля, численными экспериментами, корректностью постановки цели и задач исследования, метрологическими испытаниями макета прибора контроля.
На защиту выносятся результаты:
1. Метод построения гистограммы яркости с использованием
рецептивных полей.
2. Метод контроля дефектов изделий по коэффициенту корреляции
гистограмм.
3.Принцип построения оптико-электронной системы прибора контроля дефектов пластиковой бутылки и оптико-электронный прибор контроля дефектов по коэффициенту корреляции гистограмм с использованием рецептивных полей.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
-
Разработан метод построения гистограммы яркости изделия с использованием рецептивных полей, который осуществляет двойное преобразование сигнала, как по пространству, так и по яркости; не требует точного выбора количества интервалов разбиения гистограммы за счет перекрывающихся рецептивных полей.
-
Разработан метод контроля дефектов изделий по коэффициенту корреляции их гистограмм, который обеспечивает высокую достоверность контроля качества изделий и высокое быстродействие.
-
Разработан принцип построения оптико-электронной системы корреляционного прибора контроля дефектов окрашенной пластиковой бутылки на основе ряда линейных фотоприемников с множеством фоточувствительных элементов, который обеспечивает уменьшение шума за счет суммирования оптического сигнала с множества фоточувствительных элементов; увеличение чувствительности к дефектам заданного размера, за счет введения соразмерных дефекту рецептивных полей; расширение диапазона размеров контролируемых дефектов за счет перекрытия рецептивных полей.
Практическая полезность работы состоит в возможности применения полученных результатов в различных отраслях промышленности, где требуется оптический контроль дефектов изделий с высокой оптической
плотностью, движущихся на конвейере, а также в возможности создания более эффективных приборов оптического контроля качества изделий.
Реализация результатов. Научные результаты диссертационной работы внедрены на: ОАО "Барнаульский пивоваренный завод" для контроля дефектов и сплошного контроля качества окрашенной пластиковой бутылки на конвейерной линии; ООО "Фрактальная оптика" с целью коммерциализации приборов оптического контроля качества окрашенной пластиковой бутылки.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: 15-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов " Микроэлектроника и информатика - 2008" (г.Москва); международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности - 2008, 2009" (г. Санкт-Петербург); XIV-й Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии -2008» (г.Томск); международной научно-технической конференции "Виртуальные и интеллектуальные системы - 2006, 2007, 2008, 2009" (г.Барнаул); одиннадцатой международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация - 2010" (г.Барнаул), Всероссийском конкурсе "Ползуновские гранты - 2009"; Всероссийском инновационном форуме "Селигер-2010" (победитель конкурса "У.М.Н.И.К. на СТАРТ - 2010", проводимого фондом содействия развитию малых форм предіфиятий в научно-технической сфере).
Работа выполнена в рамках исследований по программе У.М.Н.И.К. (дог. №13/нр от «10» декабря 2008г., дог. Ж24/іф от 20.04.2010г., ООО "АлтайИннования").
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 7 статей, 3 из которых в журналах по Перечню ВАК, 5 докладов опубликованных в материалах всероссийских и международных конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 152 наименований. Общий объем работы составляет 112 страниц машинописного текста, содержит 4 таблицы, 25 рисунков.
